Терапия быстрыми нейтронами использует нейтроны высокой энергии, как правило, от 50 до 70 МэВ, для лечения рака . Большинство пучков терапии быстрыми нейтронами производятся реакторами, циклотронами (d+Be) и линейными ускорителями. Нейтронная терапия в настоящее время доступна в Германии, России, Южной Африке и Соединенных Штатах. В Соединенных Штатах действует один лечебный центр в Сиэтле, штат Вашингтон. Центр в Сиэтле использует циклотрон, который производит протонный пучок, падающий на бериллиевую мишень.
Лучевая терапия убивает раковые клетки двумя способами в зависимости от эффективной энергии источника излучения. Количество энергии, выделяемой при прохождении частицами участка ткани, называется линейной передачей энергии (ЛПЭ). Рентгеновские лучи производят излучение с низкой ЛПЭ, а протоны и нейтроны производят излучение с высокой ЛПЭ. Излучение с низкой ЛПЭ повреждает клетки преимущественно за счет образования активных форм кислорода, см. свободные радикалы . Нейтрон не имеет заряда и повреждает клетки путем прямого воздействия на ядерные структуры. Злокачественные опухоли, как правило, имеют низкий уровень кислорода и, таким образом, могут быть устойчивы к излучению с низкой ЛПЭ. Это дает нейтронам преимущество в определенных ситуациях. Одним из преимуществ является, как правило, более короткий цикл лечения. Чтобы убить то же количество раковых клеток, нейтронам требуется одна треть эффективной дозы , чем протонам. [1] Другим преимуществом является установленная способность нейтронов лучше лечить некоторые виды рака, такие как рак слюнной железы, адено-кистозная карцинома и определенные типы опухолей мозга, особенно глиомы высокой степени злокачественности [2]
Когда терапевтические энергетические рентгеновские лучи (от 1 до 25 МэВ) взаимодействуют с клетками в тканях человека, они делают это в основном посредством комптоновских взаимодействий и производят относительно высокоэнергетические вторичные электроны. Эти высокоэнергетические электроны отдают свою энергию со скоростью около 1 кэВ / мкм . [3] Для сравнения, заряженные частицы, образующиеся в месте взаимодействия нейтронов, могут отдавать свою энергию со скоростью 30–80 кэВ/мкм. Количество энергии, отдаваемой при прохождении частицами участка ткани, называется линейной передачей энергии (ЛПЭ). Рентгеновские лучи производят излучение с низкой ЛПЭ, а нейтроны производят излучение с высокой ЛПЭ.
Поскольку электроны, полученные от рентгеновских лучей, имеют высокую энергию и низкую ЛПЭ, при их взаимодействии с клеткой обычно происходит лишь несколько ионизаций. Тогда вполне вероятно, что излучение с низкой ЛПЭ вызовет только одноцепочечные разрывы спирали ДНК. Одноцепочечные разрывы молекул ДНК могут быть легко восстановлены, и поэтому воздействие на целевую клетку не обязательно является летальным. Напротив, заряженные частицы с высокой ЛПЭ, полученные от нейтронного облучения, вызывают множество ионизаций при прохождении через клетку, и поэтому возможны двухцепочечные разрывы молекулы ДНК. Репарация двухцепочечных разрывов ДНК намного сложнее для клетки и с большей вероятностью приведет к ее гибели.
Механизмы репарации ДНК весьма эффективны, [4] и в течение жизни клетки будут восстановлены многие тысячи одноцепочечных разрывов ДНК. Однако достаточная доза ионизирующего излучения вызывает так много разрывов ДНК, что это подавляет способность клеточных механизмов справляться.
Терапия тяжелыми ионами (например, ионами углерода) использует такую же высокую ЛПЭ ионов 12 C 6+ . [5] [6]
Из-за высокой ЛПЭ относительный радиационный ущерб (относительный биологический эффект или ОБЭ ) быстрых нейтронов в 4 раза больше, чем у рентгеновских лучей, [7] [8] то есть 1 рад быстрых нейтронов равен 4 рад рентгеновских лучей. ОБЭ нейтронов также зависит от энергии, поэтому нейтронные пучки, полученные с разными энергетическими спектрами на разных установках, будут иметь разные значения ОБЭ.
Присутствие кислорода в клетке действует как радиосенсибилизатор , делая эффекты излучения более разрушительными. Опухолевые клетки обычно имеют более низкое содержание кислорода, чем нормальная ткань. Это медицинское состояние известно как опухолевая гипоксия , и поэтому кислородный эффект действует, чтобы снизить чувствительность опухолевой ткани. [9] Кислородный эффект может быть количественно описан с помощью коэффициента усиления кислорода (OER). Обычно считается, что нейтронное облучение преодолевает эффект опухолевой гипоксии, [10] хотя есть контраргументы. [11]
Эффективность нейтронных пучков при раке простаты была продемонстрирована в ходе рандомизированных испытаний. [12] [13] [14] Терапия быстрыми нейтронами успешно применялась против опухолей слюнных желез . [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] Также лечились аденоидно-кистозные карциномы . [23] [24] Были исследованы различные другие опухоли головы и шеи . [25] [26] [27]
Ни одна терапия рака не обходится без риска побочных эффектов. Нейтронная терапия — это очень мощный ядерный скальпель, который нужно использовать с исключительной осторожностью. Например, некоторые из самых замечательных излечений, которых удалось добиться с ее помощью, касаются рака головы и шеи. Многие из этих видов рака не поддаются эффективному лечению другими методами. Однако нейтронное повреждение близлежащих уязвимых областей, таких как мозг и сенсорные нейроны, может привести к необратимой атрофии мозга, слепоте и т. д. Риск этих побочных эффектов можно значительно снизить с помощью нескольких методов, но их нельзя устранить. Более того, некоторые пациенты более восприимчивы к таким побочным эффектам, чем другие, и это невозможно предсказать. В конечном итоге пациент должен решить, перевешивают ли преимущества возможного длительного излечения риски этого лечения, когда он сталкивается с раком, который в противном случае неизлечим. [28]
Несколько центров по всему миру использовали быстрые нейтроны для лечения рака. Из-за отсутствия финансирования и поддержки в настоящее время в США действуют только три из них. Университет Вашингтона и Центр радиационной онкологии Гершенсона используют пучки для терапии быстрыми нейтронами, и оба оснащены многолепестковым коллиматором (MLC) для формирования нейтронного пучка. [29] [30] [31]
Отделение радиационной онкологии [32] использует протонный циклотрон , который производит быстрые нейтроны, направляя протоны с энергией 50,5 МэВ на бериллиевую мишень. Циклотрон UW оснащен системой доставки, смонтированной на гантри, и многоканальным линейным сердечником (MLC) для создания сформированных полей. Система нейтронной терапии UW называется системой клинической нейтронной терапии (CNTS). [33] CNTS является типичной для большинства систем нейтронной терапии. Требуется большое, хорошо экранированное здание, чтобы сократить воздействие радиации на население и разместить необходимое оборудование.
Канал транспортировки пучка транспортирует протонный пучок из циклотрона в систему гантри. Система гантри содержит магниты для отклонения и фокусировки протонного пучка на бериллиевой мишени. Конец системы гантри называется головкой и содержит дозиметрические системы для измерения дозы, а также MLC и другие устройства формирования пучка. Преимущество наличия транспортировки пучка и гантри заключается в том, что циклотрон может оставаться неподвижным, а источник излучения может вращаться вокруг пациента. Наряду с изменением ориентации лечебного стола, на котором располагается пациент, изменение положения гантри позволяет направлять излучение практически под любым углом, что позволяет щадить нормальные ткани и максимально увеличить дозу облучения опухоли.
Во время лечения внутри лечебного помещения (называемого хранилищем) остается только пациент, а терапевты будут дистанционно управлять лечением, наблюдая за пациентом через видеокамеры. Каждая подача заданной геометрии нейтронного пучка называется полем или пучком лечения. Подача лечения планируется для максимально эффективной доставки излучения, и обычно приводит к полям, которые соответствуют форме общей цели, с любым расширением для покрытия микроскопического заболевания.
Нейтронная терапевтическая установка в Gershenson Radiation Oncology Center at Karmanos Cancer Center/Wayne State University (KCC/WSU) в Детройте имеет некоторые сходства с CNTS в Университете Вашингтона, но также имеет много уникальных характеристик. Эта установка была выведена из эксплуатации в 2011 году.
В то время как CNTS ускоряет протоны, установка KCC производит свой нейтронный пучок, ускоряя дейтроны 48,5 МэВ на бериллиевой мишени. Этот метод производит нейтронный пучок с характеристиками глубинной дозы, примерно аналогичными характеристикам фотонного пучка 4 МВ. Дейтроны ускоряются с помощью сверхпроводящего циклотрона, установленного на гантри (GMSCC), что устраняет необходимость в дополнительных направляющих магнитах пучка и позволяет источнику нейтронов вращаться на полные 360° вокруг кушетки пациента.
Учреждение KCC также оснащено устройством формирования пучка MLC [34] , единственным другим центром нейтронной терапии в США помимо CNTS. MLC в учреждении KCC был дополнен программным обеспечением для планирования лечения, которое позволяет реализовать модулированную по интенсивности нейтронную радиотерапию (IMNRT), недавнее достижение в нейтронной лучевой терапии, которое позволяет направлять большую дозу облучения на целевой участок опухоли, чем 3-D нейтронная терапия. [35]
KCC/WSU имеет самый большой в мире опыт использования нейтронной терапии рака предстательной железы: за последние 10 лет здесь прошли лечение около 1000 пациентов.
Центр нейтронной терапии Fermilab впервые начал лечить пациентов в 1976 году [36] и с тех пор провел лечение более 3000 пациентов. В 2004 году центром начал управлять Университет Северного Иллинойса. Нейтроны, производимые линейным ускорителем в Fermilab, имеют самые высокие энергии, доступные в США, и одни из самых высоких в мире [37] [38] [39]
Центр Фермилаб был выведен из эксплуатации в 2013 году. [40]
